DE2328589C3

DE2328589C3 - Arrangement for non-destructive measurement of the local course of the carrier life of a semiconductor wafer

Info

Publication number: DE2328589C3
Application number: DE2328589A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr.Rer.Nat. 8000 Muenchen Keller
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1973-06-05
Filing date: 1973-06-05
Publication date: 1981-10-08
Also published as: DE2328589B2; DE2328589A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum zerstörungsfreien Messen des örtlichen Verlaufs der Trägerlebensdauer einer Halbleiterscheibe, insbesondere Siliciumscheibe, wobei ein Schwingkreis an einen ihn speisenden Hochfrequenzgenerator angeschlossen ist, der zu messende Bereich der Halbleiterscheibe kapazitiv an den Schwingkreis angekoppelt ist, v/o er je nach seiner Leitfähigkeit den Schwingkreis bedämpft, wobei weiterhin die Halbleiterscheibe mit Liehtblitzen beschickt wird und an den Schwingkreis ein Spannungsmeßgerät für die Resonanzspannung des Schwingkreises angeschlossen ist, die ein Maß für die Leitfähigkeit des angekoppelten Bereichs ist und in ihrem zeitlichen Verlauf als Maß für die Trägerlebensdauer im angekoppelten und mit Lichtblitzen beschickten Bereich der Halbleiterscheibe dientThe invention relates to an arrangement for non-destructive Measuring the local course of the carrier life of a semiconductor wafer, in particular a silicon wafer, where an oscillating circuit is connected to a high-frequency generator feeding it, the area of the semiconductor wafer to be measured is capacitively coupled to the resonant circuit, depending on its conductivity attenuates the resonant circuit, with Furthermore, the semiconductor wafer is charged with light flashes and a voltmeter for the resonance voltage of the oscillating circuit is attached to the oscillating circuit is connected, which is a measure of the conductivity of the coupled area and in its temporal Course as a measure of the service life of the carrier in the coupled area and area loaded with light flashes the semiconductor wafer is used

ίο Aus der Dissertation von H, Krauß, T. H. Karlsruhe 1963, Seiten 26—30, ist es bekannt, zur Bestimmung des spezifischen Widerstandes von Halbleitern einen Topfkreis in Form eines koaxialen Resonators zu verwenden. Ferner ist aus dem »Journal of theίο From the dissertation by H, Krauss, T. H. Karlsruhe 1963, pages 26-30, it is known to determine the specific resistance of semiconductors a To use pot circle in the form of a coaxial resonator. Furthermore, from the »Journal of the

ι? Electrochemical Society«, Feb. 1901, Seiten 167 bis 171 bekannt, den Widerstand und die Trägerlebensdauer von Silicium kapazitiv über die Güte eines Schwingkreises zu messen.
Eine Anordnung zur Messung der Leitfähigkeitsunterschiede von Siliciumscheiben ist bekannt und beispielsweise in der »Zeitschrift für angewandte Physik« Bd. 23 (1967) Heft 4, Seiten 268-270 beschrieben. Danach wird durch einen Metallstempel mit definierter Stempelstimfläche eine Siliciumscheibe über jeweils einen dünnen Wasserfilm auf eine Metallplatte angedrückt Der Stempel ist elektrisch einerseits mit dem Kondensator eines Schwingkreises verbunden und führt andererseits üher die als hochkapazitive elektrische Verbindung wirkende Wasserfilme, über den durch die Stempelstirnfläche abgesteckten Bereich der Siliciumscheibe und über die Metallplatte zur Spule des Schwingkreises. Je nach der Leitfähigkeit des elektrisch wirksamen Bereichs der Siliciumscheibe wird der Schwingkreis bedämpft Die davon abhängige Resonanzspannung wird über ein Spannungsmeßgerät gemessen und dient als Maß für die Leitfähigkeit des Scheibenbereichs.ι? Electrochemical Society ”, Feb. 1901, pages 167 to 171 known to measure the resistance and the carrier life of silicon capacitively via the quality of an oscillating circuit.
An arrangement for measuring the conductivity differences of silicon wafers is known and is described, for example, in the "Zeitschrift für angewandte Physik" Vol. 23 (1967) Issue 4, pages 268-270. Then a metal stamp with a defined stamp face is used to press a silicon wafer over a thin film of water onto a metal plate.The stamp is electrically connected on the one hand to the capacitor of an oscillating circuit and, on the other hand, carries the water film, which acts as a high-capacitance electrical connection, over the area of the Silicon wafer and over the metal plate to the coil of the resonant circuit. Depending on the conductivity of the electrically active area of the silicon wafer, the resonant circuit is damped. The resonance voltage, which is dependent on this, is measured by a voltmeter and serves as a measure of the conductivity of the wafer area.

Zum Messen des örtlichen Verlaufs der Leitfähigkeit wird dabei durch Verschieben der Siliciumscheibe der elektrisch wirksame zwischen Steripelstirnfläche und Metallplatte gelegene Bereich jeweils von einem anderen Teil der Siliciumscheibe gebildet. Ein Verschieben des Stempels auf der Oberfläche der örtlich fest auf der Metallplatte aufliegenden Siliciumscheibe erbringtTo measure the local course of the conductivity, the electrically effective area located between the sterile end face and metal plate each of one formed other part of the silicon wafer. Moving the stamp on the surface of the locally fixed the silicon wafer resting on the metal plate provides

■H das nämliche Ergebnis. Unter bestimmten Bedingungen entspricht die Variation der gemessenen Spannung dem Gang der lokalen Leitfähigkeit. Eine Proportionalität ist dann gegeben, wenn einerseits der Widerstand des Siliciumscheibenbereichs klein ist gegenüber dem Resonanzblindwiderstand des Schwingkreises, andererseits aber groß ist gegenüber dem Dämpfungswiderstand des Schwingkreises.■ H the same result. Under certain circumstances the variation of the measured voltage corresponds to the course of the local conductivity. A proportionality is given when on the one hand the resistance of the silicon wafer area is small compared to the The resonance reactance of the oscillating circuit, on the other hand, is large compared to the damping resistance of the oscillating circuit.

Weiter ist eine Anordnung zur kontaktlosen Messung der Trägerlebensdauer in Siliciumeinkristallen bekannt und beispielsweise in der »Zeitschrift für angewandte Physik« Bd. 11 (1959), Heft 9, Seiten 351 und 352 beschrieben, bei der der Prüfling mit kurzzeitigen Liehtblitzen beschickt wird. Diese Lichtblitze erzeugen Trägerpaare im Silicium, die ihrerseits die Leitfähigkeit des Siliciums beeinflussen. Die Trägerpaare rekombinieren jedoch nach dem auslösenden Lichtbützimpuls, so daß die Konzentration an Trägerpääfen zeitlich abklingt. Diesem Abklingen folgt die Leitfähigkeit. Durch Messen des zeitlichen Verlaufs der Leitfähigkeit läßt sich die Trägerlebensdauer am Oszillographen bestimmen.An arrangement for contactless measurement of the carrier life in silicon single crystals is also known and for example in the "Zeitschrift für angewandte Physik" Vol. 11 (1959), Issue 9, pages 351 and 352 described, in which the test object is charged with brief light flashes. These create flashes of light Carrier pairs in the silicon, which in turn influence the conductivity of the silicon. Recombine the carrier pairs but after the triggering Lichtbützimpuls, so that the concentration of carrier paefs temporally subsides. This decay is followed by conductivity. By measuring the conductivity over time the carrier life can be determined on the oscilloscope.

Durch eine Kombination dieser beiden bekannten Anordnungen läßt sich der örtliche Verlauf derBy combining these two known arrangements, the local course of the

Trägerlebensdauer darstellen. Eine solche kombinierte Anordnung ist in der DE-OS 2215138 bereits vorgeschlagen worden. Die Bedingungen, unter denen die Variation der gemessenen Spannung dem Gang der lokalen Leitfähigkeit entspricht, bzw, der gemessene zeitliche Verlauf und seine lokale Abhängigkeit dem Gang der lokalen Trägerlebensdauer, sind die nämlichen wie bei der bekannten Anordnung zur Messung der Leitfähigkeitsunterschiede.Represent carrier life. Such a combined Arrangement is already in DE-OS 2215138 has been proposed. The conditions under which the variation in the measured voltage increases the rate of the corresponds to the local conductivity, or the measured time course and its local dependency corresponds to The course of the local carrier lifetime are the same as in the known arrangement for measurement the conductivity differences.

Bei hoher Ortsauflösung kann man nur mit kleinen Koppelkapazitäten arbeiten. Für eine vernünftige Empfindlichkeit über einen großen Bereich des spezifischen Widerstandes muß der Schwingkreis eine hohe Güte bei relativ hoher Frequenz besitzen. Die optimale Arbeitsfrequenz hängt von der Größe des spezifischen Widerstandes des Halbleitermaterials ab.With a high spatial resolution, you can only work with small coupling capacities. For a reasonable one The resonant circuit must have a sensitivity over a large range of the specific resistance have high quality at a relatively high frequency. The optimal working frequency depends on the size of the resistivity of the semiconductor material.

Die beiden Bedingungen — hohe Schwingkreisgüte und relativ hohe Schwingfrequenz — setzen dem Wunsch einer hohen Ortsauflösung bei der Anordnung nach dem Stand der Technik eine Grenze.The two conditions - high quality resonance circuit and a relatively high oscillation frequency - set the There is a limit to the desire for a high spatial resolution in the arrangement according to the prior art.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die dem Stand der Technik auferlegte Grenze zu durchbrechen und die Ortsauflösung beirr. Messen des örtlichen Verlaufs der Trägerlebensdauer einer Halbleiterscheibe erheblich zu vergrößern.The present invention seeks to overcome the limit imposed on the prior art to break through and the spatial resolution beirr. Measuring the local course of the carrier life of a To enlarge semiconductor wafer considerably.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einer Anordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß der Schwingkreis aus einem Topfkreis in Form eines koaxialen Resonators mit Innenleiter und abgeschlossenem Außenleiter besteht, wobei der w Innenleiter an einem Ende galvanisch, am anderen Ende kapazitiv mit dem Abschlußdeckel des Außenleiters verbunden istTo solve this problem, it is proposed according to the invention, in an arrangement of the type mentioned at the outset, that that the resonant circuit from a pot circle in the form of a coaxial resonator with inner conductor and There is a closed outer conductor, the inner conductor being galvanic at one end and galvanic at the other end is capacitively connected to the cover of the outer conductor

Mit einem erfindungsgemäß eingesetzten Topfkreis lassen sich beide Voraussetzungen einer hohen Ortsauflösung — hohe Güte und hohe Frequenz — erfüllen.With a pot circle used according to the invention, both requirements for a high spatial resolution can be met - high quality and high frequency - meet.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß zur Kopplung der Halbleiterscheibe mit dem Topfkreis der kapazitive Abschlußdeckel eine zentrale Öffnung hat, die mit dem anzukoppelnden Bereich der Halbleiterscheibe durch Anpreßdruck von außen geschlossen ist Dabei ist unter »kapazitivem Abschlußdeckel« der Deckel gemeint, der mit dem kapazitiv wirkenden Ende des Innenleiters die Kapazität des Topfkreises bildet Zur Erhöhung der Kapazität trägt dieses Ende vorteilhaft eine Verdickung.An advantageous embodiment of the invention is that for coupling the semiconductor wafer with the cup circle of the capacitive cover plate has a central opening that is to be coupled with the The area of the semiconductor wafer is closed by external pressure End cover «means the cover, the capacitance with the capacitive end of the inner conductor of the pot circle forms To increase the capacity, this end advantageously has a thickening.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß der Innenleiter des Topfkreises in sich einen koaxialen Stempel führt, dessen eines Ende über das kapazitiv wirkende Ende des Innenleiters to hinausragt und axial gegen die öffnung des kapazitiven Abschlußdeckels verschiebbar ist, wodurch die kapazitive Kopplung des Topfkreises mit dem anzukoppelnden Bereich der Halbleiterscheibe einstellbar ist. Dieser koaxiale Stempel ist vorzugsweise in dem innenleiter über ein Gewinde längsverschiebbar ausgebildetAnother advantageous embodiment of the invention is that the inner conductor of the pot circle in itself a coaxial punch leads, one end of which via the capacitive end of the inner conductor to protrudes and axially against the opening of the capacitive End cover is displaceable, whereby the capacitive coupling of the pot circle with the to be coupled Area of the semiconductor wafer is adjustable. This coaxial punch is preferably in the inner conductor Designed to be longitudinally displaceable via a thread

Weitere Einzelheiten einer erfindungsgemäßen Anordnung sollen an Hand der Zeichnung näher erläutert werden. Dabei zeigtFurther details of an arrangement according to the invention will be explained in more detail with reference to the drawing will. It shows

F i g. 1 eine Ausbildung des Topfkreises und ein Blockschaltbild der Meßanordnung, während inF i g. 1 shows an embodiment of the pot circle and a block diagram of the measuring arrangement, while in

F i g. 2 ein Ersatzschaltbild des Topfkfeises mit der Halbleiterscheibe dargestellt ist.F i g. 2 an equivalent circuit diagram of the pot ice with the Semiconductor wafer is shown.

In Fig. 1 besteht ein innen versilberter und polierter Topfkreis aus einem hohlzylindrischen Außenleiter I₁ einem zylindrischem koaxialen Innenleiter 2, aus einem galvanischen Abschlußdeckel 3 und aus einem kapazitiven Abschlußdeckel 4. D«ir Innenleiter 2 trägt an seinem kapazitiv wirkenden Ende eine Verdiekung, die die Kapazität des Topfkreises erhöht. Außerdem ist im Innern des Innenleiters 2 aber ein Gewinde ein Stempel 5 angeordnet, der an seinem am galvanischen Abschlußdeckel 3 herausragenden Ende über einen Drehknopf 6 axial gegenüber dem Innenleiter 2 verschoben werden kann. Der kapazitive Abschlußdekkel 4 besitzt eine zentrale öffnung, in die das andere Ende des Stempels 5 hineinragt Der kapazitive Abschlußdeckel 4 weist auf der Außenseite um die öffnung eine ringförmige Verdickung auf. Auf der dadurch gebildeten ringförmigen Auflagefläche liegt eine SUiciumscheibe 7 auf, die über Federdruck — symbolisch mit P bezeichnet — auf die Auflagefläche gedrückt wird.In Fig. 1, an internally silvered and polished cup circle consists of a hollow cylindrical outer conductor I _1, a cylindrical coaxial inner conductor 2, a galvanic cover 3 and a capacitive cover 4. The inner conductor 2 carries at its capacitively acting end a throat which the capacity of the pot circle increases. In addition, a thread of a punch 5 is arranged in the interior of the inner conductor 2, which can be moved axially with respect to the inner conductor 2 by means of a rotary knob 6 at its end protruding from the galvanic cover 3. The capacitive closing cover 4 has a central opening into which the other end of the stamp 5 protrudes. The capacitive closing cover 4 has an annular thickening on the outside around the opening. A silicon disk 7 rests on the annular support surface formed in this way and is pressed onto the support surface by means of spring pressure - symbolically denoted by P.

Die ringförmige Verdickung des kapazitiven Abschlußdeckels 4 um die öffnung stellt eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar. Die Auflage der Siliciumscheibe ist dadurch unabhängiger von Oberflächenunregelmäßigkeiten.The annular thickening of the capacitive cover 4 around the opening represents a further one advantageous embodiment of the invention. The support of the silicon wafer is more independent of surface irregularities.

Ein Hochfrequenzgenerator 8 ist über eine Schleife 9 induktiv an den Topfkreis gekoppelt tljne Auskopplung zu einem Demodulator 10 erfolgt induktiv über eine Schleife 11. Dabei sind die Schleifen 9 und 11 vorzugsweise aus dem Innenleiter eines Koaxialkabels gebildet dessen Außenleiter mit der Außenhaut des Topfkreises verbunden ist Die Innenleiter führen über Durchführungen ins Innere des Topfkreises und sind über die Schleifen 9 bzw. 11 galvanisch mit dem galvanischen Abschlußdeckel 3 verbunden. Dem Demodulator 10 ist ein Verstärker 12 nachgeschaltet, dessen Ausgang zu einem Oszillographen 13 führt Die Siliciumscheibe wird von einer Blitzlampe 18 mit Lichtblitzen beleuchtet Zur Synchronisation ist der Oszillograph 13 mit der Blitzlampe 18 verbunden. Die Lichtblitze sollen möglichst große Flankensteilheit haben. Der Hochfrequenzgenerator 8 soll mögüchst rausch- und brummarm sein.A high-frequency generator 8 is inductively coupled to the cup circle via a loop 9, tljne decoupling to a demodulator 10 takes place inductively via a loop 11. The loops 9 and 11 are here preferably formed from the inner conductor of a coaxial cable whose outer conductor with the outer skin of the The inner conductors lead through bushings into the interior of the pot circle and are Galvanically connected to the galvanic cover 3 via the loops 9 and 11, respectively. The demodulator 10 is followed by an amplifier 12, the output of which leads to an oscilloscope 13 The silicon wafer is illuminated with flashes of light by a flash lamp 18 Oscilloscope 13 connected to flash lamp 18. The light flashes should have the greatest possible edge steepness to have. The high-frequency generator 8 should be as low-noise and low-hum as possible.

Für den elektrisch wirksamen Bereich der Silicumscheibe 7 stellt der Oszillograph den zeitlichen Verlauf der Trägerlebensdauer dar, der etwa dem einer Exponentialkurve folgt Durch Verschieben der Siliciumscheibe 7 wird ein anderer Bereich wirksam. Ändert sich dann die Trägerlebensdauer, so kann dies am Oszillographen 13 abgelesen werden. Durch konsequentes Verschieben läßt sich der örtliche Verlauf der Trägerlebensdauer darstellen.For the electrically active area of the silicon wafer 7, the oscilloscope shows the time course the carrier lifetime, which roughly follows that of an exponential curve by shifting the silicon wafer 7 another area takes effect. If the carrier life then changes, this can be done on Oscillograph 13 can be read. The local course of the Represent carrier life.

Im Ersatzschaltbild nach Fig.2 ist die Induktivität des Topfkreises durch eine Spule 14 dargestellt, an die über eine Anzapfung ein HF-Signal angelegt ist Parallel zur Spule 14 liegen ein Anzeigeinstrument 13, ein Kondensator 15 und die Reihenschaltung aus einem einstellbaren Kondensator 16 mit einem ohmscher Widerstand 17. Der Kondensator 15 stellt die Kapazität d^r, iiie das verdickte Ende des Innenleiters 2 mit dem kapazitiven Abschlußdeckel 4 bildet. Der Kondensator 16 stellt die Koppelkapazität des Stempels 5 zur Siliciumscheibe 7 dar. Der ohmsche Widerstand 17 ist der des wirksamen Bereichs der Siliciumscheibe zwischen Koppels'elle und Auflagefläche.In the equivalent circuit according to FIG. 2, the inductance is of the pot circle represented by a coil 14 to which an RF signal is applied via a tap. Parallel to the coil 14 are a display instrument 13, a capacitor 15 and the series circuit of one adjustable capacitor 16 with an ohmic resistor 17. The capacitor 15 represents the capacitance d ^ r, iiie the thickened end of the inner conductor 2 with the capacitive cover plate 4 forms. The capacitor 16 provides the coupling capacitance of the punch 5 Silicon wafer 7. The ohmic resistance 17 is that of the effective area of the silicon wafer between coupling element and support surface.

Eine Abstimmung des Topfkreises auf Resonanz erfolgt entweder durch Einstellen der Frequenz des vom HF-Generator 8 gelieferten hochfrequenter Stromes oder durch Einstellen der Kopplung durch Drehen des Drehknopfes 6 oder durch beide Maßnahmen. Ein Verschieben der Si'iciumscheibe bringt jeweils einen anderen wirksamen Bereich zur Kopplung mit dem Topfkreis. Falls die dabei betroffenen Bereiche unter-The pot circle is tuned to resonance either by setting the frequency of the from HF generator 8 supplied high-frequency current or by adjusting the coupling by turning the Rotary knob 6 or by both measures. Shifting the silicon disk brings one at a time another effective area for coupling with the pot circle. If the areas affected

sehiedliehe Trägerlebensdauer und damit unterschiedliehe Leitfähigkeitsänderungen haben, dämpfen sie den Topfkreis in entsprechender Weise. Diese Unterschiede beeinflussen den Verlauf der Exponentialkurve, die an dem Oszillographen 13 abgelesen werden kann.have different carrier lifetimes and thus different conductivity changes, they dampen the Pot circle in a corresponding way. These differences influence the course of the exponential curve, which is on the oscilloscope 13 can be read.

Mit Hilfe einer erfindungsgemäßen Anordnung mit Topfkreis, der insbesondere zur Erhöhung der Güte innen versilbert und poliert ist, läßt sich der örtliche Verlauf der Trägerlebensdauer einer HalbleiterscheibeWith the help of an arrangement according to the invention with a pot circle, which in particular to increase the quality is silver-plated and polished on the inside, the local course of the carrier life of a semiconductor wafer mit extrem hoher Ortsauflösung verfolgen. Dies wird durch die hohe Güte möglich, die mit einem Topfkreis erreichbar ist, und durch die hohe Frequenz, mit der eine erfindungsgemäße Anordnung betrieben werden kann. Beispielsweise ist bei einer Frequenz von 160 MHz noch eine Güte von 5000 gut zu erreichen.track with extremely high spatial resolution. This is made possible by the high quality that comes with a pot circle can be achieved, and by the high frequency with which an arrangement according to the invention can be operated. For example, at a frequency of 160 MHz is still to achieve a quality of 5000 well.

Mit einer erfindungsgemäßen Anordnung lassen sich auch Halbleiterscheiben aus polykristallinem HaIbleitermaterial messen.With an arrangement according to the invention, semiconductor wafers made of polycrystalline semiconductor material can also be measured.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent address;

1. Arrangement for non-destructive measurement of the Local profile of the carrier life of a semiconductor wafer, in particular a silicon wafer, wherein an oscillating circuit is connected to a high-frequency generator that feeds it, which is to measuring area of the semiconductor wafer is capacitively coupled to the resonant circuit, where it depends on its conductivity attenuates the resonant circuit, and the semiconductor wafer continues with flashes of light is charged and a voltmeter for the resonance voltage of the resonant circuit Resonant circuit is connected, which is a measure of the conductivity of the coupled area and in its temporal course as a measure of the carrier life in the coupled and with The area of the semiconductor wafer charged with flashes of light is used, characterized in that that the resonant circuit from a pot circle in the form of a coarse resonator with inner conductor (2) and closed outer conductor (1), the inner conductor (2) galvanically at one end, at the the other end is capacitively connected to the cover plate (3 or 4) of the outer conductor (1)

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that for coupling the semiconductor wafer (7) with the pot circle of the capacitive cover plate (4) has a central opening that is to be coupled with the Area of the semiconductor wafer (7) is closed by contact pressure from the outside

3. Arrangement according to claim 2, characterized in that the inner conductor (2) of the pot circle in a coaxial Svempel <J) leads, one of which The end of the capacitive end of the inner conductor (2) protrudes ur..i axially against the Opening of the capacitive connection cover (4) is displaceable, whereby the capacitive coupling of the Cup circle is adjustable with the area to be coupled to the semiconductor wafer (7)

4. Arrangement according to claim 3, characterized in that the coaxial punch (5) has a Thread is connected to the inner conductor (2) of the cup circle and by turning one of the galvanic cover (3) of the pot circle protruding end is displaceable.

5. Arrangement according to one of claims 1 to 4, characterized in that the inner conductor (2) of the Pot circle at its capacitively acting end a capacitive load in the form of a thickening of the end.

6. Arrangement according to claim 2, characterized in that the capacitive end cover (4) of the Cup circle on the outside ring-shaped around the opening carries a thickening, which makes it independent the displacement of the semiconductor wafer (7) brings about a constant bearing surface.